Wasserstoffverbindungen in der Natur. Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Mit einem Standard atomares Gewicht um 1,008 ist Wasserstoff das leichteste Element im Periodensystem. Seine einatomige Form (H) ist die am häufigsten vorkommende Chemikalie im Universum und macht etwa 75 % der Gesamtmasse eines Baryons aus. Sterne bestehen im Plasmazustand hauptsächlich aus Wasserstoff. Das häufigste Isotop von Wasserstoff, Protium genannt (dieser Name wird selten verwendet, Symbol 1H), hat ein Proton und keine Neutronen. Das weit verbreitete Auftreten von atomarem Wasserstoff erfolgte erstmals im Zeitalter der Rekombination. Bei Standardtemperaturen und -drücken ist Wasserstoff ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, nicht metallisches, brennbares zweiatomiges Gas mit der Summenformel H2. Da Wasserstoff mit den meisten nichtmetallischen Elementen leicht kovalente Bindungen eingeht, liegt der größte Teil des Wasserstoffs auf der Erde in molekularer Form wie Wasser oder organischen Verbindungen vor. Wasserstoff spielt eine besonders wichtige Rolle bei Säure-Base-Reaktionen, da die meisten Säure-basierten Reaktionen den Austausch von Protonen zwischen löslichen Molekülen beinhalten. In ionischen Verbindungen kann Wasserstoff die Form einer negativen Ladung (d. h. Anion) annehmen und ist als Hydrid oder als positiv geladene (d. h. Kation) Spezies bekannt, die durch das Symbol H+ bezeichnet wird. Das Wasserstoffkation wird als aus einem einfachen Proton aufgebaut beschrieben, aber die eigentlichen Wasserstoffkationen in ionischen Verbindungen sind immer komplexer. Als einziges neutrales Atom, für das die Schrödinger-Gleichung analytisch gelöst werden kann, hat Wasserstoff (nämlich die Untersuchung der Energie und Bindung seines Atoms) eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Quantenmechanik gespielt. Wasserstoffgas wurde erstmals im frühen 16. Jahrhundert künstlich durch die Reaktion von Säuren mit Metallen hergestellt. 1766-81. Henry Cavendish erkannte als erster, dass Wasserstoffgas eine eigenständige Substanz ist und beim Verbrennen Wasser erzeugt, daher der Name: Wasserstoff bedeutet auf Griechisch „Wassererzeuger“. Die industrielle Produktion von Wasserstoff wird hauptsächlich mit der Dampfumwandlung von Erdgas und seltener mit energieintensiveren Verfahren wie der Wasserelektrolyse in Verbindung gebracht. Der meiste Wasserstoff wird in der Nähe seiner Produktionsstätte verwendet, wobei die beiden häufigsten Anwendungen die Verarbeitung fossiler Brennstoffe (z. B. Hydrocracken) und die Ammoniakproduktion sind, hauptsächlich für den Düngemittelmarkt. Wasserstoff ist in der Metallurgie ein Problem, da er viele Metalle spröde machen kann, was die Konstruktion von Rohrleitungen und Lagertanks erschwert.

Eigenschaften

Verbrennung

Wasserstoffgas (Dihydrogen oder molekularer Wasserstoff) ist ein brennbares Gas, das in Luft über einen sehr weiten Konzentrationsbereich von 4 bis 75 Vol.-% brennt. Die Verbrennungsenthalpie beträgt 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Wasserstoffgas bildet mit Luft in Konzentrationen von 4-74 % und mit Chlor in Konzentrationen bis zu 5,95 % explosive Gemische. Explosionsartige Reaktionen können durch Funken, Hitze oder Sonnenlicht. Die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff, die Selbstentzündungstemperatur in Luft, beträgt 500 °C (932 °F) . Reine Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen geben ultraviolette Strahlung ab und sind mit einer hohen Sauerstoffmischung für das bloße Auge fast unsichtbar, wie die schwache Wolke des Space-Shuttle-Haupttriebwerks im Vergleich zu der gut sichtbaren Wolke des Space-Shuttle-Feststoffraketen-Boosters zeigt, der verwendet wird ein Ammoniumperchlorat-Verbundstoff. Ein Flammendetektor kann erforderlich sein, um ein Leck von brennendem Wasserstoff zu erkennen; solche Lecks können sehr gefährlich sein. Die Wasserstoffflamme ist unter anderen Bedingungen blau und ähnelt der blauen Flamme von Erdgas. Der Untergang des Luftschiffs „Hindenburg“ ist ein berüchtigtes Beispiel für die Verbrennung von Wasserstoff, und der Fall wird noch diskutiert. Die sichtbare orangefarbene Flamme bei diesem Vorfall wurde durch die Einwirkung einer Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in Kombination mit Kohlenstoffverbindungen aus der Haut des Luftschiffs verursacht. H2 reagiert mit jedem oxidierenden Element. Wasserstoff kann bei Raumtemperatur spontan mit Chlor und Fluor zu den entsprechenden Halogenwasserstoffen, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff reagieren, die ebenfalls potenziell gefährliche Säuren sind.

Elektronenenergieniveaus

Das Grundzustandsenergieniveau eines Elektrons in einem Wasserstoffatom beträgt –13,6 eV, was einem ultravioletten Photon mit einer Wellenlänge von etwa 91 nm entspricht. Die Energieniveaus von Wasserstoff können ziemlich genau berechnet werden, indem das Bohr-Modell des Atoms verwendet wird, das das Elektron als ein "umlaufendes" Proton konzeptualisiert, ähnlich der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Das atomare Elektron und Proton werden jedoch durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten, und die Planeten und himmlische Objekte von der Schwerkraft gehalten. Aufgrund der von Bohr in der frühen Quantenmechanik postulierten Diskretisierung des Drehimpulses kann das Elektron im Bohrschen Modell nur bestimmte zulässige Abstände zum Proton und damit nur bestimmte zulässige Energien einnehmen. Eine genauere Beschreibung des Wasserstoffatoms ergibt sich aus einer rein quantenmechanischen Behandlung, die die Schrödinger-Gleichung, die Dirac-Gleichung oder sogar die integrierte Feynman-Schaltung verwendet, um die Waheines Elektrons um ein Proton zu berechnen. Die meisten komplexe Methoden Verarbeitungen ermöglichen es, kleine Effekte der speziellen Relativitätstheorie und der Vakuumpolarisation zu erhalten. In Quanten Bearbeitung, hat das Elektron im Wasserstoffatom im Grundzustand überhaupt kein Drehmoment, was veranschaulicht, wie sich eine "Planetenbahn" von der Bewegung eines Elektrons unterscheidet.

Elementare molekulare Formen

Es gibt zwei verschiedene Spinisomere von zweiatomigen Wasserstoffmolekülen, die sich im relativen Spin ihrer Kerne unterscheiden. In der Orthowasserstoffform sind die Spins der beiden Protonen parallel und bilden einen Triplettzustand mit einer molekularen Spinquantenzahl von 1 (1/2 + 1/2); in der Parawasserstoffform sind die Spins antiparallel und bilden ein Singulett mit einer molekularen Spinquantenzahl von 0 (1/2 1/2). Bei Standardtemperatur und -druck enthält Wasserstoffgas etwa 25 % der Para-Form und 75 % der Ortho-Form, die auch als "normale Form" bekannt ist. Das Gleichgewichtsverhältnis von Orthowasserstoff zu Parawasserstoff hängt von der Temperatur ab, aber da die Orthoform ein angeregter Zustand ist und eine höhere Energie als die Paraform hat, ist sie instabil und kann nicht gereinigt werden. Bei sehr tiefen Temperaturen besteht der Gleichgewichtszustand fast ausschließlich aus der para-Form. Die thermischen Eigenschaften der Flüssig- und Gasphase von reinem Parawasserstoff unterscheiden sich aufgrund unterschiedlicher Rotationswärmekapazitäten signifikant von denen der Normalform, was ausführlicher in Wasserstoff-Spinisomeren diskutiert wird. Die Ortho/Paar-Unterscheidung tritt auch bei anderen wasserstoffhaltigen Molekülen oder funktionellen Gruppen wie Wasser und Methylen auf, aber dies ist für ihre thermischen Eigenschaften von geringer Bedeutung. Die unkatalysierte Umwandlung zwischen para- und ortho-H2 nimmt mit steigender Temperatur zu; daher enthält schnell kondensiertes H2 große Mengen der hochenergetischen orthogonalen Form, die sehr langsam in die para-Form umgewandelt wird. Das Ortho/Para-Verhältnis in kondensiertem H2 ist ein wichtiger Faktor bei der Herstellung und Speicherung von flüssigem Wasserstoff: Die Umwandlung von Ortho in Dampf ist exotherm und erzeugt genug Wärme, um einen Teil des flüssigen Wasserstoffs zu verdampfen, was zum Verlust von verflüssigtem Material führt. Katalysatoren für die Ortho-Para-Umwandlung wie Eisenoxid, Aktivkohle, platinierter Asbest, seltene Erden, Uranverbindungen, Chromoxid oder einige Nickelverbindungen werden bei der Wasserstoffkühlung verwendet.

Phasen

Wasserstoffgas

flüssiger Wasserstoff

Schlammwasserstoff

fester Wasserstoff

metallischer Wasserstoff

Verbindungen

Kovalente und organische Verbindungen

Während H2 unter Standardbedingungen nicht sehr reaktiv ist, bildet es mit den meisten Elementen Verbindungen. Wasserstoff kann Verbindungen mit elektronegativeren Elementen wie Halogenen (z. B. F, Cl, Br, I) oder Sauerstoff eingehen; in diesen Verbindungen nimmt Wasserstoff partiell ein positive Ladung. Wenn Wasserstoff an Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff gebunden ist, kann er in Form einer nicht-kovalenten Bindung mittlerer Stärke mit dem Wasserstoff anderer ähnlicher Moleküle verbunden sein, ein Phänomen, das als Wasserstoffbindung bezeichnet wird und für die Stabilität vieler biologischer Moleküle entscheidend ist. Wasserstoff bildet auch Verbindungen mit weniger elektronegativen Elementen wie Metallen und Halbmetallen, wo er eine teilweise negative Ladung annimmt. Diese Verbindungen werden oft als Hydride bezeichnet. Wasserstoff bildet mit Kohlenstoff eine Vielzahl von Verbindungen, die als Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden, und eine noch größere Vielfalt von Verbindungen mit Heteroatomen, die aufgrund ihrer gemeinsamen Assoziation mit Lebewesen als organische Verbindungen bezeichnet werden. Die Untersuchung ihrer Eigenschaften ist das Anliegen der organischen Chemie, und ihre Untersuchung im Zusammenhang mit lebenden Organismen ist als Biochemie bekannt. Nach einigen Definitionen dürfen "organische" Verbindungen nur Kohlenstoff enthalten. Die meisten enthalten jedoch auch Wasserstoff, und da es die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung ist, die dieser Verbindungsklasse den größten Teil ihrer Spezifität verleiht chemische Eigenschaften, Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen werden in einigen Definitionen des Wortes "organisch" in der Chemie benötigt. Millionen von Kohlenwasserstoffen sind bekannt, und sie werden normalerweise durch komplexe Synthesewege gebildet, an denen selten elementarer Wasserstoff beteiligt ist.

Hydride

Wasserstoffverbindungen werden oft als Hydride bezeichnet. Der Begriff "Hydrid" legt nahe, dass das H-Atom einen negativen oder anionischen Charakter angenommen hat, der als H bezeichnet wird, und wird verwendet, wenn Wasserstoff eine Verbindung mit einem elektropositiveren Element bildet. Die Existenz eines Hydridanions, das 1916 von Gilbert N. Lewis für salzhaltige Hydride der Gruppen 1 und 2 vorgeschlagen wurde, wurde 1920 von Moers durch Elektrolyse von geschmolzenem Lithiumhydrid (LiH) nachgewiesen, wobei eine stöchiometrische Menge Wasserstoff pro Anode erzeugt wurde. Für andere Hydride als Metalle der Gruppen 1 und 2 ist der Begriff angesichts der geringen Elektronegativität von Wasserstoff irreführend. Eine Ausnahme bei Hydriden der Gruppe 2 ist BeH2, das polymer ist. In Lithiumaluminiumhydrid trägt das AlH-4-Anion fest an Al(III) gebundene Hydridzentren. Obwohl sich in fast allen Hauptgruppenelementen Hydride bilden können, ist die Anzahl und Kombination möglicher Verbindungen sehr unterschiedlich; Beispielsweise sind über 100 binäre Boranhydride und nur ein binäres Aluminiumhydrid bekannt. Binäres Indiumhydrid wurde noch nicht identifiziert, obwohl große Komplexe existieren. In der anorganischen Chemie können Hydride auch als Brückenliganden dienen, die zwei Metallzentren in einem Koordinationskomplex verknüpfen. Diese Funktion ist besonders charakteristisch für Elemente der Gruppe 13, insbesondere in Boranen (Borhydriden) und Aluminiumkomplexen sowie in geclusterten Carboranen.

Protonen und Säuren

Die Oxidation von Wasserstoff entfernt sein Elektron und ergibt H+, das keine Elektronen und keinen Kern enthält, der normalerweise aus einem einzigen Proton besteht. Deshalb wird H+ oft auch als Proton bezeichnet. Diese Ansicht ist zentral für die Diskussion von Säuren. Nach der Bronsted-Lowry-Theorie sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren. Das nackte Proton H+ kann aufgrund seiner unwiderstehlichen Anziehungskraft auf andere Atome oder Moleküle mit Elektronen nicht in Lösung oder in Ionenkristallen existieren. Abgesehen von den hohen Temperaturen, die mit Plasmen verbunden sind, können solche Protonen nicht aus den Elektronenwolken von Atomen und Molekülen entfernt werden und bleiben an ihnen haften. Der Begriff "Proton" wird jedoch manchmal metaphorisch verwendet, um sich auf positiv geladenen oder kationischen Wasserstoff zu beziehen, der auf diese Weise an andere Spezies gebunden ist, und wird als solcher als "H+" bezeichnet, ohne jegliche Bedeutung, dass einzelne Protonen als Spezies frei existieren. Um das Erscheinen eines nackten "solvatisierten Protons" in Lösung zu vermeiden, wird manchmal angenommen, dass saure wässrige Lösungen eine weniger unwahrscheinliche fiktive Spezies namens "Hydroniumion" (H 3 O+) enthalten. Aber selbst in diesem Fall werden solche solvatisierten Wasserstoffkationen realistischer als organisierte Cluster wahrgenommen, die Spezies nahe H 9O+4 bilden. Andere Oxoniumionen werden gefunden, wenn Wasser in einer sauren Lösung mit anderen Lösungsmitteln ist. Obwohl es auf der Erde exotisch ist, ist eines der häufigsten Ionen im Universum H+3, bekannt als protonierter molekularer Wasserstoff oder das Trihydrogenkation.

Isotope

Wasserstoff hat drei natürlich vorkommende Isotope, die als 1H, 2H und 3H bezeichnet werden. Andere hochgradig instabile Kerne (4H bis 7H) wurden im Labor synthetisiert, aber in der Natur nicht beobachtet. 1H ist das häufigste Wasserstoffisotop mit einer Häufigkeit von über 99,98 %. Da der Kern dieses Isotops nur aus einem Proton besteht, erhält es den beschreibenden, aber selten verwendeten formalen Namen Protium. 2H, das andere stabile Wasserstoffisotop, ist als Deuterium bekannt und enthält ein Proton und ein Neutron im Kern. Es wird angenommen, dass das gesamte Deuterium im Universum während dieser Zeit produziert wurde Urknall und besteht seitdem. Deuterium ist es nicht radioaktives Element und stellt keine signifikante Toxizitätsgefahr dar. Wasser, das mit Molekülen angereichert ist, die Deuterium anstelle von normalem Wasserstoff enthalten, wird als schweres Wasser bezeichnet. Deuterium und seine Verbindungen werden als nicht radioaktive Markierung in chemischen Experimenten und in Lösungsmitteln für die 1H-NMR-Spektroskopie verwendet. Schweres Wasser wird als Neutronenmoderator und Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Deuterium ist auch ein potenzieller Brennstoff für die kommerzielle Kernfusion. 3H ist als Tritium bekannt und enthält im Kern ein Proton und zwei Neutronen. Es ist radioaktiv und zerfällt über den Beta-Zerfall in Helium-3 mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren. Es ist so radioaktiv, dass es in Leuchtfarbe verwendet werden kann, was es zum Beispiel für die Herstellung von Uhren mit leuchtenden Zifferblättern nützlich macht. Das Glas verhindert, dass eine kleine Menge Strahlung entweicht. Nicht große Menge Tritium wird auf natürliche Weise durch die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit atmosphärischen Gasen gebildet; Tritium wurde auch bei Atomwaffentests freigesetzt. Es wird in Kernfusionsreaktionen als Indikator für die Isotopengeochemie und in spezialisierten autarken Beleuchtungsgeräten verwendet. Tritium wurde auch in chemischen und biologischen Markierungsexperimenten als radioaktive Markierung verwendet. Wasserstoff ist das einzige Element, das hat verschiedene Namen für seine Isotope, die heute weit verbreitet sind. Zur Zeit frühes Lernen Radioaktivität erhielten verschiedene schwere radioaktive Isotope eigene Namen, die jedoch mit Ausnahme von Deuterium und Tritium nicht mehr verwendet werden. Die Symbole D und T (anstelle von 2H und 3H) werden manchmal für Deuterium und Tritium verwendet, aber das entsprechende Symbol für Protium P wird bereits für Phosphor verwendet und ist daher für Protium nicht verfügbar. In ihren Nomenklaturrichtlinien erlaubt die International Union of Pure and Applied Chemistry die Verwendung aller Symbole von D, T, 2H und 3H, obwohl 2H und 3H bevorzugt werden. Das exotische Atom Myonium (Symbol Mu), bestehend aus einem Antimyon und einem Elektron, wird aufgrund des 1960 entdeckten Massenunterschieds zwischen dem Antimyon und dem Elektron manchmal auch als leichtes Radioisotop von Wasserstoff angesehen. Während der Lebensdauer des Myons, 2,2 μs, kann Myonium in Verbindungen wie Myoniumchlorid (MuCl) oder Natriummyonid (NaMu) eindringen, ähnlich wie Chlorwasserstoff bzw. Natriumhydrid.

Geschichte

Entdeckung und Nutzung

1671 entdeckte und beschrieb Robert Boyle die Reaktion zwischen Eisenspänen und verdünnten Säuren, die zu Wasserstoffgas führt. 1766 erkannte Henry Cavendish als erster Wasserstoffgas als eigenständige Substanz und nannte das Gas aufgrund der Metall-Säure-Reaktion „brennbare Luft“. Er schlug vor, dass "brennbare Luft" tatsächlich mit einer hypothetischen Substanz namens "Phlogiston" identisch sei, und stellte 1781 erneut fest, dass das Gas beim Verbrennen Wasser erzeugte. Es wird angenommen, dass er Wasserstoff als Element entdeckt hat. 1783 gab Antoine Lavoisier dem Element den Namen Wasserstoff (aus dem Griechischen ὑδρο-hydro bedeutet "Wasser" und -γενής-Gene bedeutet "Schöpfer"), als er und Laplace Cavendishs Daten reproduzierten, dass Wasser bei der Verbrennung von Wasserstoff gebildet wurde. Lavoisier erzeugte Wasserstoff für seine Massenerhaltungsexperimente, indem er mit einem Dampfstrom reagierte metallisches Eisen durch eine im Feuer erhitzte Glühlampe. Die anaerobe Oxidation von Eisen durch Wasserprotonen bei hoher Temperatur kann schematisch durch eine Reihe der folgenden Reaktionen dargestellt werden:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Viele Metalle, wie Zirkonium, gehen eine ähnliche Reaktion mit Wasser ein, um Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff wurde erstmals 1898 von James Dewar mithilfe regenerativer Kühlung und seiner Erfindung, der Vakuumflasche, verflüssigt. Im folgenden Jahr produzierte er festen Wasserstoff. Deuterium wurde im Dezember 1931 von Harold Uray entdeckt und Tritium wurde 1934 von Ernest Rutherford, Mark Oliphant und Paul Harteck hergestellt. Schweres Wasser, das statt aus gewöhnlichem Wasserstoff aus Deuterium besteht, wurde 1932 von Yureys Gruppe entdeckt. François Isaac de Rivaz baute 1806 den ersten „Rivaz“-Motor, einen mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Verbrennungsmotor. Edward Daniel Clark erfand 1819 die Wasserstoffgasröhre. Döbereiners Stahl (das erste vollwertige Feuerzeug) wurde 1823 erfunden. Der erste Wasserstoffballon wurde 1783 von Jacques Charles erfunden. Wasserstoff sorgte für den Aufstieg der ersten zuverlässigen Form des Flugverkehrs nach Henri Giffards Erfindung des ersten wasserstoffbetriebenen Luftschiffs im Jahr 1852. Der deutsche Graf Ferdinand von Zeppelin förderte die Idee von starren Luftschiffen, die durch Wasserstoff in die Luft gehoben wurden, die später Zeppeline genannt wurden; die erste davon flog 1900 zum ersten Mal. Regelmäßige Linienflüge begannen 1910 und bis zum Ausbruch des Ersten Weltkriegs im August 1914 hatten sie 35.000 Passagiere ohne größere Zwischenfälle befördert. Während des Krieges wurden Wasserstoff-Luftschiffe als Beobachtungsplattformen und Bomber eingesetzt. Der erste Nonstop-Transatlantikflug wurde 1919 vom britischen Luftschiff R34 durchgeführt. In den 1920er Jahren wurde der reguläre Passagierbetrieb wieder aufgenommen und die Entdeckung von Heliumvorkommen in den Vereinigten Staaten sollte die Flugsicherheit verbessern, aber die US-Regierung weigerte sich, Gas für diesen Zweck zu verkaufen, also wurde H2 im Luftschiff Hindenburg verwendet, das in der zerstört wurde Mailand-Brand in New Jersey, 6. Mai 1937. Der Vorfall wurde live im Radio übertragen und auf Video aufgezeichnet. Es wurde allgemein angenommen, dass die Ursache der Entzündung ein Wasserstoffleck war, jedoch deuten spätere Untersuchungen darauf hin, dass die aluminierte Stoffbeschichtung durch statische Elektrizität gezündet wurde. Doch der Ruf von Wasserstoff als Traggas war zu diesem Zeitpunkt bereits beschädigt. Im selben Jahr ging der erste wasserstoffgekühlte Turbogenerator mit Wasserstoffgas als Kühlmittel in Rotor und Stator 1937 in Dayton, Ohio, von der Dayton Power & Light Co. in Betrieb; Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoffgas ist es heute das am häufigsten verwendete Gas in diesem Bereich. Die Nickel-Wasserstoff-Batterie wurde erstmals 1977 an Bord des US-Navigationstechnologie-Satelliten 2 (NTS-2) verwendet. Die ISS, Mars Odyssey und Mars Global Surveyor sind mit Nickel-Wasserstoff-Batterien ausgestattet. Im dunklen Teil seiner Umlaufbahn wird das Hubble-Weltraumteleskop ebenfalls von Nickel-Wasserstoff-Batterien angetrieben, die schließlich im Mai 2009 ersetzt wurden, mehr als 19 Jahre nach dem Start und 13 Jahre nach ihrer Konstruktion.

Rolle in der Quantentheorie

Aufgrund seiner einfachen atomaren Struktur aus nur einem Proton und einem Elektron war das Wasserstoffatom zusammen mit dem Lichtspektrum, das daraus erzeugt oder von ihm absorbiert wurde, von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der Atomstrukturtheorie. Darüber hinaus führte die Untersuchung der entsprechenden Einfachheit des Wasserstoffmoleküls und des entsprechenden H+2-Kations zu einem Verständnis der Natur der chemischen Bindung, das bald auf die physikalische Behandlung des Wasserstoffatoms in der Quantenmechanik Mitte 2020 folgte. Einer der ersten Quanteneffekte, der klar beobachtet (aber damals noch nicht verstanden) wurde, war Maxwells Beobachtung von Wasserstoff, ein halbes Jahrhundert bevor es eine vollständige quantenmechanische Theorie gab. Maxwell stellte fest, dass die spezifische Wärmekapazität von H2 irreversibel von einem zweiatomigen Gas unterhalb der Raumtemperatur abweicht und beginnt, der spezifischen Wärmekapazität eines einatomigen Gases bei kryogenen Temperaturen immer mehr zu ähneln. Nach der Quantentheorie ergibt sich dieses Verhalten aus dem Abstand der (quantisierten) Rotationsenergieniveaus, die bei H2 aufgrund seiner geringen Masse besonders weit auseinander liegen. Diese weit auseinander liegenden Ebenen verhindern eine gleichmäßige Aufteilung der thermischen Energie in Rotationsbewegung in Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen. Kieselalgengase, die aus schwereren Atomen bestehen, haben nicht so weit auseinander liegende Niveaus und zeigen nicht die gleiche Wirkung. Antiwasserstoff ist das Antimaterial-Analogon von Wasserstoff. Es besteht aus einem Antiproton mit einem Positron. Antiwasserstoff ist die einzige Art von Antimaterieatom, die seit 2015 erhalten wurde.

In der Natur sein

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum und macht 75 % der normalen Materie nach Masse und über 90 % nach Anzahl der Atome aus. (Der größte Teil der Masse des Universums liegt jedoch nicht in Form dieses chemischen Elements vor, sondern es wird angenommen, dass es bisher unentdeckte Massenformen wie dunkle Materie und dunkle Energie enthält.) Dieses Element kommt in großer Menge in Sternen und Sternen vor Gasriesen. H2-Molekülwolken werden mit der Sternentstehung in Verbindung gebracht. Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle beim Einschalten von Sternen durch die Proton-Proton-Reaktion und die Kernfusion des CNO-Zyklus. Wasserstoff kommt weltweit hauptsächlich in atomaren und plasmatischen Zuständen mit ganz anderen Eigenschaften als molekularer Wasserstoff vor. Als Plasma sind das Elektron und das Proton von Wasserstoff nicht aneinander gebunden, was zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit und einem hohen Emissionsvermögen führt (das Licht von der Sonne und anderen Sternen erzeugt). Geladene Teilchen werden stark von magnetischen und elektrischen Feldern beeinflusst. Zum Beispiel interagieren sie im Sonnenwind mit der Magnetosphäre der Erde und erzeugen Birkeland-Ströme und die Aurora. Wasserstoff befindet sich im interstellaren Medium in einem neutralen atomaren Zustand. Es wird angenommen, dass die große Menge an neutralem Wasserstoff, die in den zerfallenden Liman-Alpha-Systemen gefunden wird, die kosmologische Baryonendichte des Universums bis zu einer Rotverschiebung von z = 4 dominiert normale Bedingungen Auf der Erde existiert elementarer Wasserstoff als zweiatomiges Gas, H2. Allerdings ist Wasserstoffgas in der Erdatmosphäre sehr selten (1 Vol.-ppm) aufgrund seiner Leicht, wodurch es die Schwerkraft der Erde leichter überwinden kann als schwerere Gase. Wasserstoff ist jedoch das dritthäufigste Element auf der Erdoberfläche und existiert hauptsächlich in Form chemischer Verbindungen wie Kohlenwasserstoffe und Wasser. Wasserstoffgas wird von einigen Bakterien und Algen produziert und ist ein natürlicher Bestandteil der Flöte, ebenso wie Methan, das eine immer wichtigere Wasserstoffquelle darstellt. Eine molekulare Form namens protonierter molekularer Wasserstoff (H+3) findet sich im interstellaren Medium, wo sie durch die Ionisation von molekularem Wasserstoff aus kosmischer Strahlung erzeugt wird. Dieses geladene Ion wurde auch in der oberen Atmosphäre des Planeten Jupiter beobachtet. Das Ion ist aufgrund seiner niedrigen Temperatur und Dichte in der Umgebung relativ stabil. H+3 ist eines der am häufigsten vorkommenden Ionen im Universum und spielt eine herausragende Rolle in der Chemie des interstellaren Mediums. Neutraler dreiatomiger Wasserstoff H3 kann nur in angeregter Form existieren und ist instabil. Im Gegensatz dazu ist das positive molekulare Wasserstoffion (H+2) ein seltenes Molekül im Universum.

Wasserstoffproduktion

H2 entsteht in chemischen und biologischen Labors, oft als Nebenprodukt anderer Reaktionen; in der Industrie zur Hydrierung ungesättigter Substrate; und in der Natur als Mittel zur Verdrängung von Reduktionsäquivalenten in biochemischen Reaktionen.

Dampfreformierung

Wasserstoff kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, aber die wirtschaftlich wichtigsten Prozesse umfassen die Entfernung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, da etwa 95 % der Wasserstoffproduktion im Jahr 2000 aus der Dampfreformierung stammten. Kommerziell werden große Mengen Wasserstoff üblicherweise durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Bei hohen Temperaturen (1000-1400 K, 700-1100 °C oder 1300-2000 °F) reagiert Wasserdampf (Dampf) mit Methan zu Kohlenmonoxid und H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Diese Reaktion ist am besten niedrige Drücke, kann aber trotzdem mit durchgeführt werden hohe Drücke(2,0 MPa, 20 atm oder 600 Zoll Quecksilber). Dies liegt daran, dass Hochdruck-H2 das beliebteste Produkt ist und unter Druck stehende Überhitzungs-Reinigungssysteme bei höheren Drücken besser abschneiden. Das Produktgemisch wird als „Synthesegas“ bezeichnet, da es häufig direkt zur Herstellung von Methanol und verwandten Verbindungen verwendet wird. Andere Kohlenwasserstoffe als Methan können zur Herstellung von Synthesegas mit verschiedenen Produktverhältnissen verwendet werden. Eine der vielen Komplikationen dieser hochoptimierten Technologie ist die Bildung von Koks oder Kohlenstoff:

CH4 → C + 2 H2

Daher wird beim Dampfreformieren normalerweise ein Überschuss an H2O verwendet. Zusätzlicher Wasserstoff kann unter Verwendung von Kohlenmonoxid durch eine Wassergas-Shift-Reaktion, insbesondere unter Verwendung eines Eisenoxid-Katalysators, aus dem Dampf zurückgewonnen werden. Diese Reaktion ist auch eine übliche industrielle Quelle von Kohlendioxid:

CO + H2O → CO2 + H2

Weitere wichtige Methoden für H2 sind die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Und die Kohlereaktion, die als Auftakt für die oben beschriebene Verschiebungsreaktion dienen kann:

C + H2O → CO + H2

Manchmal wird Wasserstoff ohne Trennung im selben industriellen Prozess produziert und verbraucht. Beim Haber-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak wird aus Erdgas Wasserstoff erzeugt. Elektrolyse Kochsalzlösung Bei der Herstellung von Chlor entsteht als Nebenprodukt auch Wasserstoff.

metallische Säure

Im Labor wird H2 normalerweise hergestellt, indem verdünnte, nicht oxidierende Säuren mit bestimmten reaktiven Metallen wie Zink mit einem Kipp-Apparat umgesetzt werden.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Aluminium kann auch H2 produzieren, wenn es mit Basen behandelt wird:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Die Wasserelektrolyse ist eine einfache Möglichkeit, Wasserstoff herzustellen. Durch das Wasser fließt ein Niederspannungsstrom, und an der Anode wird Sauerstoffgas erzeugt, während an der Kathode Wasserstoffgas erzeugt wird. Typischerweise wird die Kathode bei der Herstellung von Wasserstoff zur Speicherung aus Platin oder einem anderen inerten Metall hergestellt. Wenn das Gas jedoch in situ verbrannt werden soll, ist die Anwesenheit von Sauerstoff wünschenswert, um die Verbrennung zu fördern, und daher werden beide Elektroden aus inerten Metallen hergestellt. (Zum Beispiel oxidiert Eisen und reduziert daher die freigesetzte Sauerstoffmenge). Der theoretische maximale Wirkungsgrad (verwendeter Strom im Verhältnis zum Energiewert des erzeugten Wasserstoffs) liegt im Bereich von 80-94 %.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Eine Legierung aus Aluminium und Gallium in Form von Granulat, das Wasser zugesetzt wird, kann zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Auch bei diesem Verfahren entsteht Tonerde, aber das teure Gallium, das die Bildung von Oxidhaut auf den Pellets verhindert, kann wiederverwendet werden. Dies hat wichtige potenzielle Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff, da Wasserstoff lokal produziert werden kann und nicht transportiert werden muss.

Thermochemische Eigenschaften

Es gibt mehr als 200 thermochemische Kreisläufe, die zur Abtrennung von Wasser genutzt werden können, etwa ein Dutzend dieser Kreisläufe, wie der Eisenoxid-Kreislauf, der Cer(IV)-Oxid-Kreislauf, der Cer(III)-Oxid-Kreislauf, das Zink-Zink-Oxid Kreislauf, der Schwefel-Jod-Kreislauf, der Kupferkreislauf und der Chlor-Schwefel-Hybridkreislauf werden erforscht und getestet, um Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Wärme ohne die Verwendung von Elektrizität zu erzeugen. Eine Reihe von Labors (unter anderem in Frankreich, Deutschland, Griechenland, Japan und den USA) entwickeln thermochemische Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenenergie und Wasser.

Anaerobe Korrosion

Unter anaeroben Bedingungen werden Eisen- und Stahllegierungen langsam durch Wasserprotonen oxidiert, während sie in molekularem Wasserstoff (H2) reduziert werden. Die anaerobe Korrosion von Eisen führt zunächst zur Bildung von Eisenhydroxid (Grünrost) und kann durch folgende Reaktion beschrieben werden: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Eisenhydroxid (Fe(OH) 2) wiederum kann unter anaeroben Bedingungen durch Wasserprotonen zu Magnetit und molekularem Wasserstoff oxidiert werden. Dieser Prozess wird durch die Shikorra-Reaktion beschrieben: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 Eisenhydroxid → Magnesium + Wasser + Wasserstoff. Gut kristallisierter Magnetit (Fe3O4) ist thermodynamisch stabiler als Eisenhydroxid (Fe(OH)2). Dieser Prozess tritt während der anaeroben Korrosion von Eisen und Stahl in anoxischem Grundwasser auf und wenn Böden unterhalb des Grundwasserspiegels zurückgewonnen werden.

Geologischer Ursprung: Serpentinisierungsreaktion

In Abwesenheit von Sauerstoff (O2) in tiefen geologischen Bedingungen, die weit entfernt von der Erdatmosphäre vorherrschen, wird Wasserstoff (H2) während der Serpentinisierung durch anaerobe Oxidation durch Wasserprotonen (H+) aus Eisensilikat (Fe2+) gebildet, das im Kristallgitter von Fayalit ( Fe2SiO4, minale Olivin-Drüse). Die entsprechende Reaktion führt zur Bildung von Magnetit (Fe3O4), Quarz (SiO2) und Wasserstoff (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 Fayalit + Wasser → Magnetit + Quarz + Wasserstoff. Diese Reaktion ähnelt stark der Shikorra-Reaktion, die bei der anaeroben Oxidation von Eisenhydroxid in Kontakt mit Wasser beobachtet wird.

Bildung in Transformatoren

Von all den gefährlichen Gasen, die in produziert werden Leistungstransformatoren, Wasserstoff ist am häufigsten und wird bei den meisten Fehlern erzeugt; somit ist die Bildung von Wasserstoff ein frühes Anzeichen für schwerwiegende Probleme im Lebenszyklus eines Transformators.

Anwendungen

Verbrauch in verschiedenen Prozessen

In der Erdöl- und Chemieindustrie werden große Mengen H2 benötigt. Die größte Verwendung von H2 findet bei der Verarbeitung („Veredelung“) von fossilen Brennstoffen und bei der Herstellung von Ammoniak statt. In petrochemischen Anlagen wird H2 zur Hydrodealkylierung, Hydrodesulfurierung und zum Hydrocracken verwendet. H2 hat mehrere andere wichtige Anwendungen. H2 wird als Hydriermittel insbesondere zur Erhöhung des Sättigungsgrades von ungesättigten Fetten und Ölen (z. B. in Margarine) und bei der Methanolherstellung eingesetzt. Es ist auch eine Wasserstoffquelle bei der Herstellung von Salzsäure. H2 wird auch als Reduktionsmittel für Metallerze verwendet. Wasserstoff ist in vielen Seltenerdmetallen und Übergangsmetallen sehr gut löslich und ist sowohl in nanokristallinen als auch in amorphen Metallen löslich. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Metallen hängt von lokalen Verzerrungen oder Verunreinigungen im Kristallgitter ab. Dies kann nützlich sein, wenn Wasserstoff gereinigt wird, indem er durch heiße Palladiumscheiben geleitet wird, aber die hohe Löslichkeit des Gases ist ein metallurgisches Problem, das viele Metalle versprödet und die Konstruktion von Rohrleitungen und Lagertanks erschwert. Neben der Verwendung als Reagenz hat H2 ein breites Anwendungsspektrum in Physik und Technik. Es wird als Schutzgas bei Schweißverfahren wie dem atomaren Wasserstoffschweißen verwendet. H2 wird als Rotorkühlmittel in elektrischen Generatoren in Kraftwerken verwendet, weil es die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase hat. Flüssiges H2 wird in der kryogenen Forschung verwendet, einschließlich der Erforschung der Supraleitung. Da H2 leichter als Luft ist und nur etwas mehr als 1/14 der Dichte von Luft hat, wurde es früher häufig als Traggas verwendet Luftballons und Luftschiffe. In neueren Anwendungen wird Wasserstoff pur oder gemischt mit Stickstoff (manchmal als Formiergas bezeichnet) als Prüfgas zur sofortigen Lecksuche verwendet. Wasserstoff wird in der Automobil-, Chemie-, Energie-, Luftfahrt- und Telekommunikationsindustrie eingesetzt. Wasserstoff ist ein zugelassener Lebensmittelzusatzstoff (E 949), der neben anderen antioxidativen Eigenschaften Lebensmittellecktests ermöglicht. Seltene Isotope von Wasserstoff haben auch spezifische Verwendungen. Deuterium (Wasserstoff-2) wird in Kernspaltungsanwendungen als langsamer Neutronenmoderator und in Kernfusionsreaktionen verwendet. Deuteriumverbindungen werden im Bereich der Chemie und Biologie zur Untersuchung der Isotopeneffekte der Reaktion verwendet. Tritium (Wasserstoff-3), hergestellt in Kernreaktoren, wird zur Herstellung von Wasserstoffbomben, als Isotopenmarker in den Biowissenschaften und als Strahlungsquelle in Leuchtfarben verwendet. Die Tripelpunkttemperatur von Gleichgewichtswasserstoff ist der definierende Fixpunkt auf der ITS-90-Temperaturskala bei 13,8033 Kelvin.

Kühlmedium

Wasserstoff wird aufgrund einer Reihe günstiger Eigenschaften, die ein direktes Ergebnis seiner leichten zweiatomigen Moleküle sind, häufig in Kraftwerken als Kältemittel in Generatoren verwendet. Dazu gehören niedrige Dichte, niedrige Viskosität und die höchste spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit aller Gase.

Energieträger

Wasserstoff ist keine Energieressource, außer im hypothetischen Kontext kommerzieller Fusionskraftwerke, die Deuterium oder Tritium verwenden, eine Technologie, die derzeit noch lange nicht ausgereift ist. Die Energie der Sonne stammt aus der Kernfusion von Wasserstoff, aber dieser Prozess ist auf der Erde schwer zu erreichen. Elementarer Wasserstoff aus solarer, biologischer oder elektrische Quellen Da für seine Herstellung mehr Energie benötigt wird als für seine Verbrennung, fungiert der Wasserstoff in diesen Fällen als Energieträger, ähnlich einer Batterie. Wasserstoff kann aus fossilen Quellen (z. B. Methan) gewonnen werden, aber diese Quellen sind erschöpfbar. Die Energiedichte pro Volumeneinheit sowohl von flüssigem Wasserstoff als auch von komprimiertem gasförmigem Wasserstoff ist bei jedem praktisch erreichbaren Druck deutlich geringer als bei herkömmlichen Energiequellen, obwohl die Energiedichte pro Masseneinheit des Kraftstoffs höher ist. Elementarer Wasserstoff wird jedoch im Energiekontext vielfach als möglicher zukünftiger wirtschaftsweiter Energieträger diskutiert. Beispielsweise könnte die CO2-Sequestrierung gefolgt von der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung am Ort der H2-Produktion aus fossilen Brennstoffen erfolgen. Im Verkehr verwendeter Wasserstoff verbrennt relativ sauber, mit einigen NOx-Emissionen, aber keinen Kohlenstoffemissionen. Die mit einer vollständigen Umstellung auf eine Wasserstoffwirtschaft verbundenen Infrastrukturkosten werden jedoch erheblich sein. Brennstoffzellen können Wasserstoff und Sauerstoff effizienter direkt in Strom umwandeln als Verbrennungsmotoren.

Halbleiterindustrie

Wasserstoff wird verwendet, um die freien Bindungen von amorphem Silizium und amorphem Kohlenstoff zu sättigen, was hilft, die Eigenschaften des Materials zu stabilisieren. Es ist auch ein potenzieller Elektronendonor in verschiedenen Oxidmaterialien, einschließlich ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 und SrZrO3.

biologische Reaktionen

H2 ist ein Produkt eines anaeroben Stoffwechsels und wird von mehreren Mikroorganismen produziert, normalerweise durch Reaktionen, die durch eisen- oder nickelhaltige Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, katalysiert werden. Diese Enzyme katalysieren eine reversible Redoxreaktion zwischen H2 und seinen zwei Protonen und zwei Elektronen. Die Erzeugung von Wasserstoffgas erfolgt durch Übertragung von Reduktionsäquivalenten, die durch die Fermentation von Pyruvat entstehen, auf Wasser. Der natürliche Kreislauf von Wasserstofferzeugung und -verbrauch durch Organismen wird als Wasserstoffkreislauf bezeichnet. Wasserspaltung, der Prozess, bei dem Wasser in seine Bestandteile Protonen, Elektronen und Sauerstoff zerlegt wird, findet bei Lichtreaktionen in allen photosynthetischen Organismen statt. Einige dieser Organismen, darunter die Alge Chlamydomonas Reinhardtii und Cyanobakterien, haben eine zweite Stufe von Dunkelreaktionen entwickelt, bei der Protonen und Elektronen durch spezialisierte Hydrogenasen im Chloroplasten zu H2-Gas reduziert werden. Es wurden Versuche unternommen, cyanobakterielle Hydrasen genetisch zu modifizieren, um H2-Gas selbst in Gegenwart von Sauerstoff effizient zu synthetisieren. Es wurden auch Anstrengungen unternommen, gentechnisch veränderte Algen in einem Bioreaktor einzusetzen.

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Unter normalen Bedingungen ist molekularer Wasserstoff relativ inaktiv und verbindet sich direkt nur mit den aktivsten Nichtmetallen (mit Fluor und im Licht auch mit Chlor). Beim Erhitzen reagiert es jedoch mit vielen Elementen.

Wasserstoff reagiert mit einfachen und komplexen Stoffen:

Bei hoher Temperatur reagiert Wasserstoff direkt mit einigen Metallen(Alkali, Erdalkali und andere), die weiße kristalline Substanzen bilden - Metallhydride (Li H, Na H, KH, CaH 2 usw.):

H2 + 2Li = 2LiH

Metallhydride werden leicht durch Wasser unter Bildung des entsprechenden Alkalis und Wasserstoffs zersetzt:

Sa H 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

1). Mit Sauerstoff Wasserstoff bildet Wasser:

Video "Verbrennung von Wasserstoff"

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

Bei normalen Temperaturen verläuft die Reaktion extrem langsam, über 550 ° C - mit einer Explosion (eine Mischung aus 2 Volumen H 2 und 1 Volumen O 2 wird genannt explosives Gas) .

Video "Explosion von explosivem Gas"

Video "Herstellung und Explosion eines explosiven Gemisches"

2). Mit Halogenen Wasserstoff bildet Halogenwasserstoffe, zum Beispiel:

H 2 + Cl 2 \u003d 2 HCl

Wasserstoff explodiert mit Fluor (selbst im Dunkeln und bei -252 °C), reagiert mit Chlor und Brom nur bei Beleuchtung oder Erwärmung und mit Jod nur bei Erwärmung.

3). Mit Stickstoff Wasserstoff reagiert unter Bildung von Ammoniak:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

nur auf einem Katalysator und bei erhöhten Temperaturen und Drücken.

4). Beim Erhitzen reagiert Wasserstoff heftig mit Schwefel:

H 2 + S \u003d H 2 S (Schwefelwasserstoff),

viel schwieriger mit Selen und Tellur.

5). mit reinem Kohlenstoff Wasserstoff kann ohne Katalysator nur bei hohen Temperaturen reagieren:

2H 2 + C (amorph) = CH 4 (Methan)

- Wasserstoff geht mit Metalloxiden eine Substitutionsreaktion ein , während sich in den Produkten Wasser bildet und das Metall reduziert wird. Wasserstoff - weist die Eigenschaften eines Reduktionsmittels auf:

Wasserstoff wird verwendet für die Rückgewinnung vieler Metalle, da es ihren Oxiden Sauerstoff entzieht:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O usw.

Anwendung von Wasserstoff

Video "Nutzung von Wasserstoff"

Derzeit wird Wasserstoff in riesigen Mengen produziert. Ein sehr großer Teil davon wird bei der Synthese von Ammoniak, der Hydrierung von Fetten und der Hydrierung von Kohle, Ölen und Kohlenwasserstoffen verwendet. Darüber hinaus wird Wasserstoff zur Synthese von Salzsäure, Methylalkohol, Blausäure, beim Schweißen und Schmieden von Metallen sowie bei der Herstellung von Glühlampen und verwendet Edelsteine. Wasserstoff wird in Flaschen unter einem Druck von über 150 atm verkauft. Sie sind dunkelgrün lackiert und werden mit einer roten Aufschrift „Hydrogen“ geliefert.

Wasserstoff wird verwendet, um flüssige Fette in feste Fette umzuwandeln (Hydrierung), um flüssige Kraftstoffe durch Hydrierung von Kohle und Heizöl herzustellen. In der Metallurgie wird Wasserstoff als Reduktionsmittel für Oxide oder Chloride zur Herstellung von Metallen und Nichtmetallen (Germanium, Silizium, Gallium, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Wolfram etc.) verwendet.

Die praktische Anwendung von Wasserstoff ist vielfältig: Es wird normalerweise mit Ballons gefüllt, in der chemischen Industrie dient es als Rohstoff für die Herstellung vieler sehr wichtiger Produkte (Ammoniak usw.), in der Lebensmittelindustrie - zur Herstellung von Feststoffen Fette aus Pflanzenölen usw. Hochtemperatur (bis zu 2600 °C), die durch Verbrennen von Wasserstoff in Sauerstoff erhalten wird, wird zum Schmelzen von Refraktärmetallen, Quarz usw. verwendet. Flüssiger Wasserstoff ist einer der effizientesten Düsentreibstoffe. Der jährliche Weltverbrauch von Wasserstoff übersteigt 1 Million Tonnen.

SIMULATOREN

Nr. 2. Wasserstoff

AUFGABEN ZUR VERSTÄRKUNG

Das Wasserstoffatom hat die elektronische Formel der äußeren (und einzigen) elektronischen Ebene 1 S ein . Einerseits ist das Wasserstoffatom durch das Vorhandensein eines Elektrons in der äußeren elektronischen Ebene den Alkalimetallatomen ähnlich. Allerdings fehlt ihm, genau wie Halogenen, nur ein Elektron, um die äußere elektronische Ebene zu füllen, da sich auf der ersten elektronischen Ebene nicht mehr als 2 Elektronen befinden können. Es stellt sich heraus, dass Wasserstoff gleichzeitig sowohl in die erste als auch in die vorletzte (siebte) Gruppe des Periodensystems gestellt werden kann, was manchmal in verschiedenen Versionen des Periodensystems geschieht:

Von den Eigenschaften des Wasserstoffs als einfacher Substanz her hat er dennoch mehr mit Halogenen gemeinsam. Wasserstoff ist, wie auch Halogene, ein Nichtmetall und bildet ähnlich wie diese zweiatomige Moleküle (H 2 ).

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff ein gasförmiger, inaktiver Stoff. Die geringe Aktivität von Wasserstoff erklärt sich aus der hohen Stärke der Bindung zwischen den Wasserstoffatomen im Molekül, die entweder starkes Erhitzen oder den Einsatz von Katalysatoren oder beides gleichzeitig erfordert, um sie zu brechen.

Wechselwirkung von Wasserstoff mit einfachen Stoffen

mit Metallen

Von den Metallen reagiert Wasserstoff nur mit Alkali und Erdalkali! Alkalimetalle umfassen Metalle der Hauptuntergruppe der I. Gruppe (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) und Erdalkalimetalle sind Metalle der Hauptnebengruppe der II. Gruppe mit Ausnahme von Beryllium und Magnesium (Ca, Sr, Ba , Ra)

In Wechselwirkung mit aktiven Metallen zeigt Wasserstoff oxidierende Eigenschaften, d.h. senkt seinen Oxidationszustand. Dabei entstehen Hydride von Alkali- und Erdalkalimetallen, die eine ionische Struktur aufweisen. Die Reaktion läuft beim Erhitzen ab:

Es ist zu beachten, dass die Wechselwirkung mit aktiven Metallen der einzige Fall ist, wenn molekularer Wasserstoff H2 ein Oxidationsmittel ist.

mit Nichtmetallen

Von den Nichtmetallen reagiert Wasserstoff nur mit Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Selen und Halogenen!

Kohlenstoff ist als Graphit oder amorpher Kohlenstoff zu verstehen, da Diamant eine äußerst inerte allotrope Modifikation des Kohlenstoffs ist.

Bei der Wechselwirkung mit Nichtmetallen kann Wasserstoff nur die Funktion eines Reduktionsmittels erfüllen, d.h. er kann nur seine Oxidationsstufe erhöhen:

Wechselwirkung von Wasserstoff mit komplexen Stoffen

mit Metalloxiden

Wasserstoff reagiert nicht mit Metalloxiden, die in der Aktivitätsreihe der Metalle bis einschließlich Aluminium liegen, jedoch kann er bei Erwärmung viele Metalloxide rechts von Aluminium reduzieren:

mit Nichtmetalloxiden

Von den Nichtmetalloxiden reagiert Wasserstoff beim Erhitzen mit Oxiden von Stickstoff, Halogenen und Kohlenstoff. Von allen Wechselwirkungen von Wasserstoff mit Nichtmetalloxiden ist seine Reaktion mit Kohlenmonoxid CO besonders hervorzuheben.

Das Gemisch aus CO und H 2 hat sogar einen eigenen Namen - „Synthesegas“, da daraus je nach Bedingungen so gefragte Industrieprodukte wie Methanol, Formaldehyd und sogar synthetische Kohlenwasserstoffe gewonnen werden können:

mit Säuren

Wasserstoff reagiert nicht mit anorganischen Säuren!

Von den organischen Säuren reagiert Wasserstoff nur mit ungesättigten Säuren sowie mit Säuren, die durch Wasserstoff reduzierbare funktionelle Gruppen enthalten, insbesondere Aldehyd-, Keto- oder Nitrogruppen.

mit Salzen

Im Fall von wässrige Lösungen Salze, ihre Wechselwirkung mit Wasserstoff findet nicht statt. Wenn jedoch Wasserstoff über feste Salze einiger Metalle mittlerer und niedriger Aktivität geleitet wird, ist deren teilweise oder vollständige Reduktion möglich, z. B.:

Chemische Eigenschaften von Halogenen

Halogene genannt werden chemische Elemente VIIA-Gruppen (F, Cl, Br, I, At), sowie die einfachen Substanzen, die sie bilden. Nachfolgend werden Halogene, sofern nicht anders angegeben, als einfache Substanzen verstanden.

Alle Halogene haben eine molekulare Struktur, die zu niedrigen Schmelz- und Siedepunkten dieser Substanzen führt. Halogenmoleküle sind zweiatomig, d.h. ihre Formel kann in allgemeiner Form als Hal 2 geschrieben werden.

Es sollte eine so spezifische physikalische Eigenschaft von Jod wie seine Fähigkeit erwähnt werden Sublimation oder mit anderen Worten, Sublimation. Sublimation, nennen sie das Phänomen, bei dem eine Substanz im festen Zustand beim Erhitzen nicht schmilzt, sondern unter Umgehung der flüssigen Phase sofort in den gasförmigen Zustand übergeht.

Die elektronische Struktur des externen Energieniveaus eines Atoms eines beliebigen Halogens hat die Form ns 2 np 5, wobei n die Periodenzahl des Periodensystems ist, in dem sich das Halogen befindet. Wie Sie sehen können, fehlt nur ein Elektron in der aus acht Elektronen bestehenden Außenhülle der Halogenatome. Daraus ist logischerweise von überwiegend oxidierenden Eigenschaften freier Halogene auszugehen, was sich auch in der Praxis bestätigt. Wie Sie wissen, nimmt die Elektronegativität von Nichtmetallen ab, wenn Sie sich in der Untergruppe nach unten bewegen, und daher nimmt die Aktivität von Halogenen in der Reihe ab:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Wechselwirkung von Halogenen mit einfachen Substanzen

Alle Halogene sind hochreaktiv und reagieren mit den einfachsten Substanzen. Allerdings ist zu beachten, dass Fluor aufgrund seiner extrem hohen Reaktivität auch mit diesen reagieren kann einfache Substanzen mit denen andere Halogene nicht reagieren können. Zu solchen einfachen Substanzen gehören Sauerstoff, Kohlenstoff (Diamant), Stickstoff, Platin, Gold und einige Edelgase (Xenon und Krypton). Diese. eigentlich, Fluor reagiert nicht nur mit einigen Edelgasen.

Die restlichen Halogene, d.h. Chlor, Brom und Jod sind ebenfalls Wirkstoffe, aber weniger aktiv als Fluor. Sie reagieren mit fast allen einfachen Stoffen außer Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff in Form von Diamant, Platin, Gold und Edelgasen.

Wechselwirkung von Halogenen mit Nichtmetallen

Wasserstoff

Alle Halogene reagieren mit Wasserstoff unter Bildung Halogenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel HHal. Gleichzeitig beginnt die Reaktion von Fluor mit Wasserstoff auch im Dunkeln spontan und verläuft explosionsartig nach der Gleichung:

Die Reaktion von Chlor mit Wasserstoff kann durch intensive UV-Bestrahlung oder Erhitzen initiiert werden. Leckt auch bei einer Explosion:

Brom und Jod reagieren nur beim Erhitzen mit Wasserstoff, und gleichzeitig ist die Reaktion mit Jod reversibel:

Phosphor

Die Wechselwirkung von Fluor mit Phosphor führt zur Oxidation von Phosphor in die höchste Oxidationsstufe (+5). In diesem Fall tritt die Bildung von Phosphorpentafluorid auf:

Wenn Chlor und Brom mit Phosphor wechselwirken, ist es möglich, Phosphorhalogenide sowohl in der Oxidationsstufe + 3 als auch in der Oxidationsstufe + 5 zu erhalten, was von den Anteilen der Reaktanten abhängt:

Inzwischen in dem Fall weißer Phosphor in einer Atmosphäre aus Fluor, Chlor oder flüssigem Brom setzt die Reaktion spontan ein.

Die Wechselwirkung von Phosphor mit Jod kann aufgrund einer deutlich geringeren Oxidationsfähigkeit als andere Halogene dazu führen, dass nur Phosphortrijodid gebildet wird:

grau

Fluor oxidiert Schwefel bis zur höchsten Oxidationsstufe +6 und bildet Schwefelhexafluorid:

Chlor und Brom reagieren mit Schwefel zu Verbindungen, die Schwefel in den äußerst ungewöhnlichen Oxidationsstufen +1 und +2 enthalten. Diese Wechselwirkungen sind sehr spezifisch, und die Fähigkeit, die Gleichungen dieser Wechselwirkungen aufzuschreiben, ist nicht erforderlich, um die Prüfung in Chemie zu bestehen. Daher werden die folgenden drei Gleichungen eher zur Orientierung gegeben:

Wechselwirkung von Halogenen mit Metallen

Wie oben erwähnt, kann Fluor mit allen Metallen reagieren, auch mit solchen inaktiven wie Platin und Gold:

Die restlichen Halogene reagieren mit allen Metallen außer Platin und Gold:

Reaktionen von Halogenen mit komplexen Stoffen

Substitutionsreaktionen mit Halogenen

Aktivere Halogene, d.h. deren chemische Elemente im Periodensystem höher angesiedelt sind, in der Lage sind, weniger aktive Halogene aus den von ihnen gebildeten Halogenwasserstoffen und Metallhalogeniden zu verdrängen:

In ähnlicher Weise verdrängen Brom und Jod Schwefel aus Lösungen von Sulfiden und / oder Schwefelwasserstoff:

Chlor ist ein stärkeres Oxidationsmittel und oxidiert Schwefelwasserstoff in seiner wässrigen Lösung nicht zu Schwefel, sondern zu Schwefelsäure:

Wechselwirkung von Halogenen mit Wasser

Wasser verbrennt in Fluor mit blauer Flamme gemäß der Reaktionsgleichung:

Brom und Chlor reagieren anders mit Wasser als Fluor. Wenn Fluor als Oxidationsmittel wirkte, disproportionierten Chlor und Brom in Wasser und bildeten ein Säuregemisch. In diesem Fall sind die Reaktionen reversibel:

Die Wechselwirkung von Jod mit Wasser verläuft in einem so unbedeutenden Ausmaß, dass sie vernachlässigt werden kann und davon ausgegangen werden kann, dass die Reaktion überhaupt nicht abläuft.

Wechselwirkung von Halogenen mit Alkalilösungen

Fluor wirkt bei Wechselwirkung mit einer wässrigen Alkalilösung wiederum als Oxidationsmittel:

Die Fähigkeit, diese Gleichung zu schreiben, ist nicht erforderlich, um die Prüfung zu bestehen. Es reicht aus, die Tatsache über die Möglichkeit einer solchen Wechselwirkung und die oxidierende Rolle von Fluor bei dieser Reaktion zu kennen.

Im Gegensatz zu Fluor disproportionieren andere Halogene in Alkalilösungen, dh sie erhöhen und erniedrigen gleichzeitig ihre Oxidationsstufe. Gleichzeitig ist bei Chlor und Brom je nach Temperatur eine Strömung in zwei verschiedene Richtungen möglich. Insbesondere in der Kälte laufen die Reaktionen wie folgt ab:

und beim Erhitzen:

Jod reagiert mit Alkalien ausschließlich nach der zweiten Option, d.h. mit der Bildung von Jodat, weil Hypoiodit ist nicht nur beim Erhitzen instabil, sondern auch bei normalen Temperaturen und sogar in der Kälte.

Verbreitung in der Natur. V. ist in der Natur weit verbreitet, sein Anteil in der Erdkruste (Lithosphäre und Hydrosphäre) beträgt 1 Masse-% und 16 % Atomzahl. V. ist Teil der am häufigsten vorkommenden Substanz auf der Erde - Wasser (11,19 Massen-% von V.), in der Zusammensetzung der Verbindungen, aus denen Kohle, Öl, Erdgas, Ton sowie tierische und pflanzliche Organismen (dh , in der Zusammensetzung Proteine, Nukleinsäuren, Fette, Kohlenhydrate etc.). Im Freistaat ist V. äußerst selten, es kommt in geringen Mengen in Vulkangestein und anderen vor natürliche Gase. In der Atmosphäre sind vernachlässigbare Mengen an freiem V. (0,0001 % nach Atomzahl) vorhanden. Im erdnahen Raum bildet V. in Form eines Protonenstroms den inneren („Protonen“)-Strahlungsgürtel der Erde. Im Weltraum ist V. das häufigste Element. In Form von Plasma macht es etwa die Hälfte der Masse der Sonne und der meisten Sterne aus, den Hauptteil der Gase des interstellaren Mediums und der Gasnebel. V. kommt in der Atmosphäre zahlreicher Planeten und Kometen in Form von freiem H2, Methan CH4, Ammoniak NH3, Wasser H2O, Radikalen wie CH, NH, OH, SiH, PH etc. vor. In Form eines Protonenstroms ist V. Teil der Korpuskularstrahlung der Sonne und der kosmischen Strahlung.

Isotope, Atom und Molekül. Gewöhnliches V. besteht aus einer Mischung von zwei stabilen Isotopen: leichtes V. oder Protium (1H) und schweres V. oder Deuterium (2H oder D). In natürlichen Verbindungen von V. kommen auf 1 2H-Atom durchschnittlich 6800 1H-Atome. Ein radioaktives Isotop wurde künstlich gewonnen - superschweres B. oder Tritium (3H oder T), mit weicher β-Strahlung und einer Halbwertszeit T1 / 2 = 12,262 Jahre. In der Natur entsteht Tritium beispielsweise aus Luftstickstoff unter Einwirkung von Neutronen der kosmischen Strahlung; es ist in der Atmosphäre vernachlässigbar (4-10-15% der Gesamtzahl der Luftatome). Es wurde ein extrem instabiles 4H-Isotop erhalten. Die Massenzahlen der Isotope 1H, 2H, 3H und 4H bzw. 1,2, 3 und 4 zeigen an, dass der Kern des Protiumatoms nur 1 Proton, Deuterium - 1 Proton und 1 Neutron, Tritium - 1 Proton und 2 enthält Neutronen, 4H - 1 Proton und 3 Neutronen. Der große Unterschied in den Massen von Wasserstoffisotopen verursacht einen deutlicheren Unterschied in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften als bei Isotopen anderer Elemente.

Das Atom V. hat die einfachste Struktur unter den Atomen aller anderen Elemente: Es besteht aus einem Kern und einem Elektron. Die Bindungsenergie eines Elektrons mit einem Kern (Ionisationspotential) beträgt 13,595 eV. Das neutrale Atom V. kann auch ein zweites Elektron anlagern, wodurch ein negatives Ion H- entsteht; in diesem Fall beträgt die Bindungsenergie des zweiten Elektrons mit dem neutralen Atom (Elektronenaffinität) 0,78 eV. Die Quantenmechanik ermöglicht es, alle möglichen Energieniveaus des Atoms zu berechnen und folglich sein Atomspektrum vollständig zu interpretieren. Das V-Atom wird als Modellatom in quantenmechanischen Berechnungen der Energieniveaus anderer, komplexerer Atome verwendet. Das B. H2-Molekül besteht aus zwei Atomen, die durch eine kovalente chemische Bindung verbunden sind. Die Energie der Dissoziation (d. h. des Zerfalls in Atome) beträgt 4,776 eV (1 eV = 1,60210-10-19 J). Der interatomare Abstand an der Gleichgewichtsposition der Kerne beträgt 0,7414 Å. Bei hohen Temperaturen dissoziiert molekulares V. in Atome (der Dissoziationsgrad bei 2000°C beträgt 0,0013; bei 5000°C beträgt er 0,95). Atomares V. entsteht auch bei verschiedenen chemischen Reaktionen (z. B. durch Einwirkung von Zn auf Salzsäure). Die Existenz von V. im atomaren Zustand dauert jedoch nur kurze Zeit, die Atome rekombinieren zu H2-Molekülen.

Körperliche u Chemische Eigenschaften. V. - der leichteste aller bekannten Stoffe (14,4 mal leichter als Luft), Dichte 0,0899 g/l bei 0°C und 1 atm. V. siedet (verflüssigt) und schmilzt (erstarrt) bei -252,6°C bzw. -259,1°C (nur Helium hat niedrigere Schmelz- und Siedepunkte). Die kritische Temperatur von V. ist sehr niedrig (-240 °C), daher ist seine Verflüssigung mit großen Schwierigkeiten verbunden; kritischer Druck 12,8 kgf/cm2 (12,8 atm), kritische Dichte 0,0312 g/cm3. Von allen Gasen hat V. die höchste Wärmeleitfähigkeit, gleich 0,174 W / (m-K) bei 0 ° C und 1 atm, dh 4,16-0-4 cal / (s-cm- ° C). Die spezifische Wärmekapazität von V. bei 0 ° C und 1 atm Cp 14,208-103 j / (kg-K), dh 3,394 cal / (g- ° C). V. leicht löslich in Wasser (0,0182 ml / g bei 20 ° C und 1 atm), aber gut - in vielen Metallen (Ni, Pt, Pd usw.), insbesondere in Palladium (850 Volumen pro 1 Volumen Pd) . Die Löslichkeit von V. in Metallen hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, durch diese zu diffundieren; Die Diffusion durch eine kohlenstoffhaltige Legierung (z. B. Stahl) wird manchmal von der Zerstörung der Legierung aufgrund der Wechselwirkung von Stahl mit Kohlenstoff (der sogenannten Entkohlung) begleitet. Flüssiges Wasser ist sehr leicht (Dichte bei -253 °C 0,0708 g/cm3) und flüssig (Viskosität bei -253 °C 13,8 °C).

In den meisten Verbindungen weist V. eine Wertigkeit (genauer gesagt eine Oxidationsstufe) von +1 auf, wie Natrium und andere Alkalimetalle; normalerweise wird er als ein Analogon dieser Metalle betrachtet und trägt 1 gr. Mendelejews Systeme. In Metallhydriden ist das B.-Ion jedoch negativ geladen (Oxidationsstufe -1), das heißt, das Na + H- Hydrid ist wie Na + Cl- Chlorid aufgebaut. Diese und einige andere Tatsachen (die Nähe der physikalischen Eigenschaften von V. und Halogenen, die Fähigkeit von Halogenen, V. in organischen Verbindungen zu ersetzen) geben Anlass, V. auch der Gruppe VII des Periodensystems zuzuordnen (näheres dazu siehe das Periodensystem der Elemente). Unter normalen Bedingungen ist molekulares V. relativ inaktiv und verbindet sich direkt nur mit den aktivsten der Nichtmetalle (mit Fluor und im Licht mit Chlor). Beim Erhitzen reagiert es jedoch mit vielen Elementen. Atomares V. hat im Vergleich zu molekularem V. eine erhöhte chemische Aktivität. V. bildet mit Sauerstoff Wasser: H2 + 1 / 2O2 = H2O unter Freisetzung von 285,937-103 J / mol, also 68,3174 kcal / mol Wärme (bei 25 °C und 1 atm). Bei normalen Temperaturen verläuft die Reaktion extrem langsam, über 550 ° C - mit einer Explosion. Die Explosionsgrenzen des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches liegen (nach Volumen) zwischen 4 und 94 % H2 und des Wasserstoff-Luft-Gemisches zwischen 4 und 74 % H2 (ein Gemisch aus 2 Volumen H2 und 1 Volumen O2 wird als explosiv bezeichnet Gas). V. wird zur Reduktion vieler Metalle eingesetzt, da es deren Oxiden Sauerstoff entzieht:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O usw.
V. bildet mit Halogenen Halogenwasserstoffe, z. B.:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Gleichzeitig explodiert es mit Fluor (auch im Dunkeln und bei -252 °C), reagiert mit Chlor und Brom nur bei Beleuchtung oder Erwärmung und mit Jod nur bei Erwärmung. V. reagiert mit Stickstoff zu Ammoniak: 3H2 + N2 = 2NH3 nur an einem Katalysator und bei erhöhten Temperaturen und Drücken. Beim Erhitzen reagiert V. heftig mit Schwefel: H2 + S = H2S (Schwefelwasserstoff), viel schwieriger mit Selen und Tellur. V. kann ohne Katalysator nur bei hohen Temperaturen mit reinem Kohlenstoff reagieren: 2H2 + C (amorph) = CH4 (Methan). V. reagiert mit einigen Metallen (Alkali, Erdalkali usw.) direkt unter Bildung von Hydriden: H2 + 2Li = 2LiH. Von großer praktischer Bedeutung sind die Reaktionen von Kohlenmonoxid mit Kohlenmonoxid, bei denen je nach Temperatur, Druck und Katalysator verschiedene organische Verbindungen wie HCHO, CH3OH und andere entstehen (siehe Kohlenmonoxid). Ungesättigte Kohlenwasserstoffe reagieren mit Wasserstoff und werden gesättigt, zum Beispiel: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (siehe Hydrierung).

Im Periodensystem hat es eine eigene spezifische Position, die seine Eigenschaften widerspiegelt und von seiner elektronischen Struktur spricht. Unter allen gibt es jedoch ein spezielles Atom, das zwei Zellen gleichzeitig besetzt. Es befindet sich in zwei Gruppen von Elementen, die in ihren manifestierten Eigenschaften völlig entgegengesetzt sind. Das ist Wasserstoff. Diese Eigenschaften machen es einzigartig.

Wasserstoff ist nicht nur ein Element, sondern auch ein einfacher Stoff sowie Bestandteil vieler komplexer Verbindungen, ein biogenes und organogenes Element. Daher betrachten wir seine Eigenschaften und Eigenschaften genauer.

Wasserstoff als chemisches element

Wasserstoff ist ein Element der ersten Gruppe der Hauptnebengruppe sowie der siebten Gruppe der Hauptnebengruppe in der ersten kleinen Periode. Diese Periode besteht nur aus zwei Atomen: Helium und dem Element, das wir betrachten. Lassen Sie uns die Hauptmerkmale der Position von Wasserstoff im Periodensystem beschreiben.

1. Die Seriennummer von Wasserstoff ist 1, die Anzahl der Elektronen ist gleich, bzw. die Anzahl der Protonen ist gleich. Die Atommasse beträgt 1,00795. Es gibt drei Isotope dieses Elements mit den Massenzahlen 1, 2, 3. Die Eigenschaften von jedem von ihnen sind jedoch sehr unterschiedlich, da eine Zunahme der Masse sogar um eins für Wasserstoff sofort verdoppelt wird.
2. Die Tatsache, dass es nur ein Elektron an der Außenseite enthält, ermöglicht es ihm, erfolgreich sowohl oxidierende als auch reduzierende Eigenschaften zu zeigen. Außerdem bleibt es nach Abgabe eines Elektrons ein freies Orbital, das nach dem Donor-Akzeptor-Mechanismus an der Bildung chemischer Bindungen beteiligt ist.
3. Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel. Daher wird die erste Gruppe der Hauptuntergruppe als ihr Hauptort angesehen, an dem sie die aktivsten Metalle führt - Alkali.
4. Bei Wechselwirkung mit starken Reduktionsmitteln, wie zB Metallen, kann es aber auch ein Elektron aufnehmendes Oxidationsmittel sein. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Damit steht es an der Spitze der Untergruppe der Halogene, denen es ähnlich ist.
5. Aufgrund seiner sehr geringen Atommasse gilt Wasserstoff als das leichteste Element. Zudem ist seine Dichte auch sehr gering, somit ist es auch der Maßstab für Leichtigkeit.

Somit ist es offensichtlich, dass das Wasserstoffatom im Gegensatz zu allen anderen Elementen ein völlig einzigartiges Atom ist. Folglich sind auch seine Eigenschaften besonders, und die geformten sind einfach und komplexe Substanzen sehr wichtig. Betrachten wir sie weiter.

einfache Substanz

Wenn wir von diesem Element als Molekül sprechen, müssen wir sagen, dass es zweiatomig ist. Das heißt, Wasserstoff (eine einfache Substanz) ist ein Gas. Seine empirische Formel wird als H 2 geschrieben, und die grafische - durch eine einzelne Sigma-Bindung H-H. Der Mechanismus der Bindungsbildung zwischen Atomen ist kovalent unpolar.

1. Dampfreformierung von Methan.
2. Kohlevergasung – Bei diesem Verfahren wird Kohle auf 1000 0 C erhitzt, was zur Bildung von Wasserstoff und kohlenstoffreicher Kohle führt.
3. Elektrolyse. Diese Methode kann nur für wässrige Lösungen verwendet werden verschiedene Salze, da Schmelzen nicht zu einem Wasseraustrag an der Kathode führen.

Labormethoden zur Herstellung von Wasserstoff:

1. Hydrolyse von Metallhydriden.
2. Die Einwirkung verdünnter Säuren auf aktive Metalle und mittlere Aktivität.
3. Wechselwirkung von Alkali- und Erdalkalimetallen mit Wasser.

Um den entstehenden Wasserstoff zu sammeln, muss das Reagenzglas auf den Kopf gestellt werden. Schließlich lässt sich dieses Gas nicht wie beispielsweise Kohlendioxid auffangen. Das ist Wasserstoff, er ist viel leichter als Luft. Es verflüchtigt sich schnell und explodiert, wenn es in großen Mengen mit Luft vermischt wird. Daher muss das Rohr umgedreht werden. Nach dem Befüllen muss es mit einem Gummistopfen verschlossen werden.

Um die Reinheit des gesammelten Wasserstoffs zu überprüfen, sollten Sie ein brennendes Streichholz an den Hals bringen. Wenn die Baumwolle taub und leise ist, ist das Gas sauber, mit minimalen Luftverunreinigungen. Wenn es laut und pfeifend ist, ist es verschmutzt, mit einem hohen Anteil an Fremdkomponenten.

Einsatzbereiche

Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird so viel Energie (Wärme) freigesetzt, dass dieses Gas als der rentabelste Brennstoff gilt. Außerdem ist es umweltfreundlich. Allerdings ist der Einsatz in diesem Bereich derzeit begrenzt. Dies liegt an den schlecht durchdachten und ungelösten Problemen der Synthese von reinem Wasserstoff, der sich als Brennstoff in Reaktoren, Motoren und tragbaren Geräten eignen würde, sowie Heizkessel Wohngebäude.

Schließlich sind die Methoden zur Gewinnung dieses Gases ziemlich teuer, daher muss zunächst ein spezielles Syntheseverfahren entwickelt werden. Eine, mit der Sie das Produkt erhalten können großes Volumen und zu minimalen Kosten.

Es gibt mehrere Hauptbereiche, in denen das von uns in Betracht gezogene Gas verwendet wird.

1. Chemische Synthesen. Basierend auf Hydrierung werden Seifen, Margarinen und Kunststoffe erhalten. Unter Beteiligung von Wasserstoff werden Methanol und Ammoniak sowie andere Verbindungen synthetisiert.
2. In der Lebensmittelindustrie - als Zusatzstoff E949.
3. Luftfahrtindustrie (Raketenbau, Flugzeugbau).
4. Energiewirtschaft.
5. Meteorologie.
6. Kraftstoff eines umweltfreundlichen Typs.

Offensichtlich ist Wasserstoff so wichtig, wie er in der Natur reichlich vorhanden ist. Eine noch größere Rolle spielen die verschiedenen daraus gebildeten Verbindungen.

Wasserstoffverbindungen

Dies sind komplexe Substanzen, die Wasserstoffatome enthalten. Es gibt mehrere Haupttypen solcher Substanzen.

1. Halogenwasserstoffe. Die allgemeine Formel ist HHal. Von besonderer Bedeutung unter ihnen ist Chlorwasserstoff. Es ist ein Gas, das sich in Wasser löst, um eine Salzsäurelösung zu bilden. Diese Säure ist in fast allen chemischen Synthesen weit verbreitet. Und sowohl organisch als auch anorganisch. Chlorwasserstoff ist eine Verbindung mit der Summenformel HCL und eine der größten in Bezug auf die jährliche Produktion in unserem Land. Halogenwasserstoffe umfassen auch Jodwasserstoff, Fluorwasserstoff und Bromwasserstoff. Alle bilden die entsprechenden Säuren.
2. Volatile Fast alle von ihnen sind ruhig giftige Gase. Zum Beispiel Schwefelwasserstoff, Methan, Silan, Phosphin und andere. Allerdings sind sie sehr leicht entzündlich.
3. Hydride sind Verbindungen mit Metallen. Sie gehören zur Klasse der Salze.
4. Hydroxide: Basen, Säuren und amphotere Verbindungen. Ihre Zusammensetzung enthält notwendigerweise ein oder mehrere Wasserstoffatome. Beispiel: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 und andere.
5. Wasserstoffhydroxid. Diese Verbindung ist besser bekannt als Wasser. Ein anderer Name für Wasserstoffoxid. Die empirische Formel sieht so aus - H 2 O.
6. Wasserstoffperoxid. Dies ist das stärkste Oxidationsmittel, dessen Formel H 2 O 2 ist.
7. Zahlreiche organische Verbindungen: Kohlenwasserstoffe, Proteine, Fette, Lipide, Vitamine, Hormone, essentielle Öle und andere.

Offensichtlich ist die Vielfalt der Verbindungen des betrachteten Elements sehr groß. Dies bestätigt es noch einmal hochwertig für Natur und Mensch sowie für alle Lebewesen.

ist das beste Lösungsmittel

Wie oben erwähnt, ist der gebräuchliche Name für diese Substanz Wasser. Besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die durch kovalente polare Bindungen miteinander verbunden sind. Das Wassermolekül ist ein Dipol, was viele seiner Eigenschaften erklärt. Insbesondere die Tatsache, dass es sich um ein universelles Lösungsmittel handelt.

In der aquatischen Umwelt finden fast alle chemischen Prozesse statt. Auch innere Reaktionen des Kunststoff- und Energiestoffwechsels lebender Organismen werden mit Hilfe von Wasserstoffoxid durchgeführt.

Wasser gilt als die wichtigste Substanz auf dem Planeten. Es ist bekannt, dass kein lebender Organismus ohne sie leben kann. Auf der Erde kann es in drei Aggregatzuständen existieren:

• Flüssigkeit;
• Gas (Dampf);
• fest (Eis).

Abhängig vom Wasserstoffisotop, das Teil des Moleküls ist, gibt es drei Arten von Wasser.

1. Licht oder Protium. Ein Isotop mit der Massenzahl 1. Die Formel lautet H 2 O. Dies ist die übliche Form, die alle Organismen verwenden.
2. Deuterium oder schwer, seine Formel ist D 2 O. Enthält das Isotop 2 H.
3. Superschwer oder Tritium. Die Formel sieht aus wie T 3 O, das Isotop ist 3 H.

Die Reserven an frischem Protiumwasser auf dem Planeten sind sehr wichtig. In vielen Ländern fehlt es bereits. Es werden Verfahren zur Aufbereitung von Salzwasser zur Gewinnung von Trinkwasser entwickelt.

Wasserstoffperoxid ist ein Allheilmittel

Diese Verbindung ist, wie oben erwähnt, ein ausgezeichnetes Oxidationsmittel. Bei starken Vertretern kann es sich aber auch als Reducer verhalten. Darüber hinaus hat es eine ausgeprägte bakterizide Wirkung.

Ein anderer Name für diese Verbindung ist Peroxid. In dieser Form wird es in der Medizin verwendet. Eine 3%ige Lösung des kristallinen Hydrats der betreffenden Verbindung ist ein Arzneimittel, das zur Behandlung kleiner Wunden verwendet wird, um sie zu dekontaminieren. Es ist jedoch erwiesen, dass in diesem Fall die Wundheilung im Laufe der Zeit zunimmt.

Auch wird Wasserstoffperoxid im Raketentreibstoff, in der Industrie zum Desinfizieren und Bleichen, als Treibmittel zur Herstellung entsprechender Materialien (z. B. Schaum) verwendet. Darüber hinaus hilft Peroxid, Aquarien zu reinigen, Haare zu bleichen und Zähne aufzuhellen. Gleichzeitig schädigt es jedoch das Gewebe und wird daher von Spezialisten für diesen Zweck nicht empfohlen.